نقشه انرژی مغز: چگونه میتوکندری‌ها عملکرد ذهنی را شکل می‌دهند؟

1

هر فکری که داریم، هر احساسی که تجربه می‌کنیم و هر خاطره‌ای که حفظ می‌کنیم، به یک عنصر اساسی نیاز دارد: انرژی.

این انرژی توسط میتوکندری‌ها تولید می‌شود – ساختارهای ریز و لوبیایی‌شکلی درون سلول‌های ما که مانند باتری عمل کرده و همه عملکردهای بدن را تأمین می‌کنند.

نقش حیاتی میتوکندری‌ها در مغز

در مغز، میتوکندری‌ها اهمیت ویژه‌ای دارند. اما با وجود این اهمیت، هنوز اطلاعات اندکی درباره نحوه توزیع این موتورهای میکروسکوپی در مغز، تفاوت‌های آن‌ها و تأثیرشان بر سلامت روان در دست داریم.

نقشه‌برداری از میتوکندری‌های مغز

برای بررسی این موضوع، دانشمندان دانشگاه کلمبیا ابزاری به نام MitoBrainMap ایجاد کرده‌اند که نخستین نقشه جامع از توزیع میتوکندری‌ها در سراسر مغز انسان است.

این ابزار، دیدی دقیق‌تر نسبت به نحوه مدیریت انرژی در بخش‌های مختلف مغز ارائه می‌دهد و تأثیر آن بر خلق‌وخو، حافظه و عملکرد کلی مغز را آشکار می‌سازد.

این پژوهش به سرپرستی مارتین پیکارد، استاد رفتارشناسی پزشکی در مرکز پیری رابرت ناتلر کلمبیا، و میشل تیبو دو شوتن، مدیر تحقیقات در دانشگاه بوردو انجام شده است.

پیکارد دراین‌باره می‌گوید:

«درک انرژی و نقش آن در سلامت، به مفهومی نوظهور تبدیل شده است، اما تاکنون ابزاری برای بررسی بیوانرژتیک در کل مغز انسان نداشته‌ایم.»

وی همچنین تأکید می‌کند:

«MitoBrainMap نقطه عطفی در درک چشم‌انداز انرژی در مغز و ارتباط آن با بیماری‌های عصبی و روان‌پزشکی محسوب می‌شود و می‌تواند مسیرهای جدیدی برای درمان این بیماری‌ها باز کند.»

نمایه انرژی دقیق مغز

مطالعه میتوکندری‌ها در مغز کار دشواری است. اسکن‌های مرسوم مانند MRI، تصویری کلی از مغز ارائه می‌دهند، در حالی که مطالعات میکروسکوپی تنها بر سلول‌های منفرد متمرکز هستند. پژوهشگران به روشی نیاز داشتند که این دو مقیاس را به هم متصل کند.

روش انجام پژوهش

• آن‌ها مغز انسانی منجمدشده‌ای را انتخاب کردند.
• بخشی از آن را جدا کرده و به ۷۰۳ مکعب کوچک با اندازه‌ای برابر ۳ میلی‌متر در هر ضلع (تقریباً به اندازه یک دانه شن) برش دادند. این اندازه مشابه وضوح تصاویر استاندارد MRI است.
• درون هر مکعب، دو عامل اندازه‌گیری شد:
  1. تعداد میتوکندری‌ها
  2. کارایی میتوکندری‌ها در تبدیل مواد مغذی به انرژی قابل استفاده

با ترکیب این داده‌ها، نمایه‌ای دقیق از توزیع انرژی در یک برش مغزی ایجاد شد. از آنجا که بررسی تمام ۵۰ هزار بخش یک مغز کامل سال‌ها طول می‌کشید، پژوهشگران از مدل‌سازی محاسباتی برای برآورد نقشه انرژی سایر قسمت‌های مغز استفاده کردند.

این روش، نخستین مدل جامع از نحوه توزیع انرژی در مغز انسان را ارائه داد.

میتوکندری‌ها در بخش‌های مختلف مغز متفاوت هستند

نتایج این پژوهش شگفت‌آور بود. مشخص شد که میتوکندری‌ها به‌طور یکنواخت در مغز توزیع نشده‌اند. چگالی و کارایی انرژی آن‌ها نه‌تنها به نوع سلول‌های مغزی بستگی دارد، بلکه در مناطق مختلف مغز نیز متفاوت است.

آنا مونزل، دانشمند پژوهشی در حوزه علوم محاسباتی و یکی از محققان این پژوهش، می‌گوید:

«این تفاوت‌ها جالب هستند، زیرا تمام میتوکندری‌ها از یک منبع اولیه در تخمک مادر سرچشمه می‌گیرند. اما در طول رشد، به‌گونه‌ای تخصصی در انواع سلول‌ها تطبیق می‌یابند تا نیازهای انرژی متفاوتی را برآورده کنند.»

ارتباط انرژی مغز با عملکرد ذهنی

نتایج اولیه این نقشه تنها یک آغاز است. مطالعات آینده بر تأیید و گسترش این یافته‌ها تمرکز خواهند داشت.

یوگن موشاروف، نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید:

«اگر این مدل تأیید شود، می‌توان از آن برای تخمین ویژگی‌های عملکردی میتوکندری‌ها در مغز زنده با استفاده از اسکن‌های MRI استاندارد استفاده کرد.»

این امر راه را برای بررسی ارتباط بین انرژی مغز و عملکرد ذهنی در لحظه واقعی هموار می‌کند – از جمله حین یادگیری، تجربه احساسات یا ابتلا به بیماری‌های روانی.

بهبود دقت نقشه مغزی

محققان در حال کار روی نسخه دوم MitoBrainMap هستند.

آن‌ها:

• نمونه‌های مغزی ۵۰۰ نفر را بررسی می‌کنند.
• ۹ منطقه مختلف مغز را مورد مطالعه قرار می‌دهند تا دریابند که الگوهای میتوکندریایی در افراد مختلف چگونه تغییر می‌کند.

این تلاش‌ها دقت نقشه را بهبود خواهد داد و ارتباط احتمالی تفاوت‌های انرژی با بیماری‌هایی مانند آلزایمر و افسردگی را روشن خواهد کرد.

پیکارد می‌گوید:

«انرژی بعد گمشده علوم زیست‌پزشکی است. اگر سلامت را از منظر انرژی ببینید، پرسش‌های جدیدی مطرح می‌شود. مثلاً چقدر انرژی برای بهبود مغز لازم است؟ آیا رژیم غذایی بر میتوکندری‌ها تأثیر دارد؟ آیا محدودیت‌های انرژی بر عملکرد عادی مغز یا توسعه بیماری‌هایی مانند آلزایمر اثر می‌گذارند؟»

اهمیت انرژی در مغز

نقشه MitoBrainMap نشان می‌دهد که توزیع انرژی در مغز چگونه است و ما را به دیدگاهی جدید در مورد سلامت روان و بیماری‌ها سوق می‌دهد.

این یافته‌ها نشان می‌دهد که انرژی – عنصری که اغلب نادیده گرفته می‌شود – می‌تواند به اندازه ساختار آناتومیکی و ترکیب شیمیایی برای عملکرد مغز حیاتی باشد.

این نسخه اولیه تنها یک نقطه شروع است. با پیشرفت پژوهش‌ها، این نقشه می‌تواند به ابزاری قدرتمند برای درک مغز و حتی تجربه انسانی تبدیل شود.

مطالعه کامل این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.